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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Verdichterrad, das auf einer Verdichterseite angeordnet ist, und mit einem Turbinenrad, das auf einer Turbinenseite angeordnet ist und das antriebsmäßig mit dem Verdichterrad über ein Laufzeug verbunden ist, dem eine axiale Lagereinrichtung zugeordnet ist, die mit einer Magneteinrichtung kombiniert ist.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2015 016 607 A1 ist eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler mit einem Verdichter zum Verdichten von dem Energiewandler zuzuführender Luft bekannt, mit einem Gehäuse und mit einem um eine Drehachse relativ zum Gehäuse drehbaren Laufzeug, und einer axialen Lagereinrichtung zur axialen Lagerung des Laufzeugs, wobei die axiale Lagereinrichtung einen ersten Lagereinrichtungsteil aufweist, der zur Aufnahme einer in eine erste axiale Richtung gerichteten Kraft ausgelegt ist, und einen zweiten Lagereinrichtungsteil, welcher zur Aufnahme einer in eine zweite der ersten axialen Richtung entgegengesetzten axialen Richtung gerichteten Kraft ausgebildet ist, wobei der zweite Lagereinrichtungsteil ein Magnetlager umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Betriebsverhalten einer Strömungsmaschine mit einem Verdichterrad, das auf einer Verdichterseite angeordnet ist, und mit einem Turbinenrad, das auf einer Turbinenseite angeordnet ist und das antriebsmäßig mit dem Verdichterrad über ein Laufzeug verbunden ist, dem eine axiale Lagereinrichtung zugeordnet ist, die mit einer Magneteinrichtung kombiniert ist, zu optimieren.
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Die Aufgabe ist bei einer Strömungsmaschine mit einem Verdichterrad, das auf einer Verdichterseite angeordnet ist, und mit einem Turbinenrad, das auf einer Turbinenseite angeordnet ist und das antriebsmäßig mit dem Verdichterrad über ein Laufzeug verbunden ist, dem eine axiale Lagereinrichtung zugeordnet ist, die mit einer Magneteinrichtung kombiniert ist, dadurch gelöst, dass die Magneteinrichtung mindestens einen schaltbaren Elektromagneten umfasst, der nur dann eine zusätzliche Axiallagerkraft erzeugt, wenn die zusätzliche Axiallagerkraft in einem aktuellen Betriebszustand der Strömungsmaschine benötigt wird. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse des Laufzeugs, das zum Beispiel eine Welle, insbesondere eine Motorwelle, umfasst, die um eine Drehachse drehbar ist. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse. Die Strömungsmaschine dient vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle. Zu diesem Zweck erreicht die Strömungsmaschine im Betrieb sehr hohe Drehzahlen, zum Beispiel von einhunderttausend bis einhundertfünfundzwanzigtausend Umdrehungen pro Minute. Daher wird die Strömungsmaschine auch als hochdrehende Strömungsmaschine bezeichnet. Über einen Verdichtereinlass zugeführte Luft wird auf der Verdichterseite im Betrieb des Brennstoffzellensystems bei Volllast auf ein Druckverhältnis von etwa drei verdichtet. Dieses Druckverhältnis hat sich im Hinblick auf Kosten-, Bauraum- und Befeuchtungsanforderungen als vorteilhaft erwiesen. Die hochdrehenden Strömungsmaschinen werden vorteilhaft durch einen Elektromotor angetrieben, der aus regelungstechnischen Gründen und aus Festigkeitsgründen auf eine in dieser Leistungsklasse maximal mögliche Drehzahl beschränkt ist. Aufgrund dieser Randbedingungen haben die verwendeten Verdichterräder, die auch als Verdichterlaufräder bezeichnet werden, relativ große Außendurchmesser. Diese relativ großen Außendurchmesser erzeugen prinzipbedingt große Axialkräfte in Richtung eines Verdichtereinlasses auf der Verdichterseite, weil sich der Verdichterauslassdruck auf einen Radrücken des Verdichterrads aufprägt. Das Laufzeug umfasst eine Motorwelle, die zum einen das Turbinenrad antriebsmäßig mit dem Verdichterrad verbindet. Darüber hinaus gehört die Motorwelle zu dem vorab genannten Elektromotor, der vorteilhaft in axialer Richtung zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet ist. Zur Lagerung des Laufzeugs, insbesondere der Motorwelle, werden vorteilhaft Folienluftlager verwendet, in denen zur Erzeugung eines tragfähigen Fluidfilms Luft verwendet wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Brennstoffzellenluft ölfrei ist und bleibt. Im Rahmen der Erfindung wird vorteilhaft ausgenutzt, dass Axiallagerkräfte im Betrieb der Strömungsmaschine in eine Vorzugsrichtung zum Verdichtereinlass gerichtet sind. Aus diesem Grund kann in den meisten Lastzuständen auf ein vorgespanntes turbinenseitiges Axialluftlager verzichtet werden. Nur beim Starten der Strömungsmaschine und zum Beispiel bei einer Schlechtweganregung im Leerlauf ist ein vorgespanntes turbinenseitiges Axialluftlager notwendig, um das Laufzeug mit dem Turbinenrad und dem Verdichterrad möglichst reibungsfrei zu lagern. Deshalb werden in der beanspruchten Strömungsmaschine die aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2015 016 607 A1 bekannten Permanentmagneten durch mindestens einen schaltbaren Elektromagneten ersetzt. Je nach Ausführung der Strömungsmaschine und in Abhängigkeit von der Größe der gewünschten zusätzlichen Axiallagerkraft kann auch eine Anordnung von schaltbaren Elektromagneten verwendet werden, die mehr als einen schaltbaren Elektromagneten umfasst. Der mindestens eine schaltbare Elektromagnet wird vorteilhaft ausschließlich in Betriebszuständen zugeschaltet, bei denen dies notwendig ist. In allen anderen Betriebszuständen kann der mindestens eine schaltbare Elektromagnet ausgeschaltet bleiben, um die Reibung im Betrieb der Strömungsmaschine in allen übrigen Betriebszuständen wirksam zu reduzieren.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Axiallagerkraft, die mit dem schaltbaren Elektromagneten erzeugt wird, axial in Richtung eines Verdichtereinlasses wirkt. Dadurch kann die Lagerfunktion der axialen Lagereinrichtung stabil aufrechterhalten werden, wenn eine benötigte axiale Lagerkraft, zum Beispiel in einem unteren Drehzahlbereich, zu gering wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Axiallagerkraft nur dann mit dem schaltbaren Elektromagneten erzeugt wird, wenn eine betriebsbedingte Axiallagerkraft in Richtung des Verdichtereinlasses für eine störungsfreie und/oder verschleißarme Lagerfunktion der axialen Lagereinrichtung zu gering ist. Dadurch kann die Lebensdauer der Strömungsmaschine im Betrieb wirksam verlängert werden, insbesondere dann, wenn die Strömungsmaschine öfter in unteren Drehzahlbereichen betrieben wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Elektromagnet bei Drehzahlen, die größer als dreißigtausend Umdrehungen pro Minute sind, ausgeschaltet bleibt. Bei niedrigeren Drehzahlen bewirkt der schaltbare Elektromagnet durch die mit seiner Hilfe ausgeübte zusätzliche Axiallagerkraft einen störungsfreien Betrieb der Strömungsmaschine.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Elektromagnet nur in einem unteren Drehzahlbereich eingeschaltet wird und ansonsten ausgeschaltet bleibt. Dadurch wird wirksam verhindert, dass der schaltbare Elektromagnet die in einem oberen Drehzahlbereich gar nicht benötigte zusätzliche Axiallagerkraft erzeugt. Im oberen Drehzahlbereich reicht die vorab beschriebene betriebsbedingte Axiallagerkraft in Richtung des Verdichtereinlasses aus, um einen störungsfreien und/oder verschleißarmen Betrieb der Strömungsmaschine sicherzustellen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Lagereinrichtung als Luftlager ausgeführt ist. In dem Luftlager wird Luft verwendet, um einen tragenden Luftfilm in einem axialen Lagerspalt der axialen Lagereinrichtung zu erzeugen. Der axiale Lagerspalt wird bei auch als Folienlager bezeichneten Luftlagern mit Hilfe von Folien erzeugt. Das Luftlager liefert unter anderem den Vorteil, dass auf ein Hydraulikmedium, wie Öl, zur Erzeugung des tragenden Fluidfilms verzichtet werden kann.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine im Betrieb Drehzahlen von einhunderttausend Umdrehungen pro Minute erreicht oder überschreitet. Diese sehr hohen Drehzahlen werden im Betrieb eines Brennstoffzellensystems benötigt, um einen hohen Wirkungsgrad im Betrieb des Brennstoffzellensystems sicherzustellen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Strömungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der schaltbare Elektromagnet einer turbinenseitigen axialen Lagereinrichtung zugeordnet ist. Auf der Verdichterseite kann eine axiale Lagereinrichtung vorteilhaft entfallen. Die turbinenseitige axiale Lagereinrichtung umfasst zum Beispiel eine Axiallagerscheibe, die zum einen mit dem vorteilhaft als Luftlager ausgeführten Axiallager in an sich bekannter Art und Weise eine axiale Lagerfunktion ausübt. Die Axiallagerscheibe wirkt darüber hinaus mit dem mindestens einen schaltbaren Elektromagneten zusammen. Durch das Zusammenwirken mit dem schaltbaren Elektromagneten und der Axiallagerscheibe, die zu diesem Zweck aus einem geeigneten ferromagnetischen Material gebildet ist, wird vorzugsweise eine anziehende Kraft auf die Axiallagerscheibe ausgeübt, um die vorab beschriebene zusätzliche Axiallagerkraft in Richtung des Verdichtereinlasses zu bewirken. Je nach Ausführung und Anordnung der axialen Lagereinrichtung kann der mindestens eine schaltbare Elektromagnet aber auch anders ausgeführt und/oder angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Strömungsmaschine in einem Brennstoffzellensystem.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine axiale Lagereinrichtung und/oder eine Magneteinrichtung für eine vorab beschriebene Strömungsmaschine. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die einzige beiliegende Figur zeigt eine Strömungsmaschine mit einem Verdichterrad, das auf einer Verdichterseite angeordnet ist, und mit einem Turbinenrad, das auf einer Turbinenseite angeordnet ist und das antriebsmäßig mit dem Verdichterrad über ein Laufzeug verbunden ist, in einem nur halb dargestellten Längsschnitt.
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Figurenliste
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- In 1 ist eine elektrisch angetriebene Strömungsmaschine 1 mit einem Verdichterrad 2 und einem Turbinenrad 4 im Halbschnitt dargestellt. Das Verdichterrad 2 ist auf einer Verdichterseite 3 der Strömungsmaschine 1 angeordnet. Das Turbinenrad 4 ist auf einer Turbinenseite 5 der Strömungsmaschine 1 angeordnet. Das Turbinenrad 4 ist antriebsmäßig mit dem Verdichterrad 2 verbunden.
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Zur drehfesten Verbindung zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Turbinenrad 4 umfasst das Laufzeug 6 eine Motorwelle 7. Die Motorwelle 7 ist als Hohlwelle ausgeführt und um eine Drehachse 8 drehbar.
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Zum elektrischen Antrieb umfasst die Strömungsmaschine 1 eine elektrische Maschine 9. Die elektrische Maschine 9 ist als Elektromotor mit einem Motorgehäuse 10 und einer Motorwicklung 11 ausgeführt. In der als Hohlwelle ausgeführten Motorwelle 7 ist ein Permanentmagnet 12 angeordnet.
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Das Verdichterrad 2 der Strömungsmaschine 1 wird im Betrieb in einem Brennstoffzellensystem zum einen über das Turbinenrad 4 angetrieben. Darüber hinaus wird das Verdichterrad 2 über den Elektromotor 9 angetrieben.
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Das Laufzeug 6 mit der Motorwelle 7 ist mit Hilfe von zwei Radiallagern 13, 14 im Motorgehäuse 10 der elektrischen Maschine 9 drehbar gelagert. Die Radiallager 13, 14 sind vorteilhaft als Folienluftlager ausgeführt.
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Auf der Verdichterseite 3 ist ein Verdichterspiralgehäuse 15 an das Motorgehäuse 10 angebaut. Das Verdichterspiralgehäuse 15 umfasst einen Verdichtereinlass 16, über welchen der Strömungsmaschine 1 zu verdichtende Luft zugeführt wird.
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Auf der Turbinenseite 5 ist ein Turbinenspiralgehäuse 17 an das Motorgehäuse 10 angebaut. Das Turbinenspiralgehäuse 17 umfasst einen Turbinenauslass 18, über den entspannte Luft austritt. Die beim Entspannen der Luft erzeugte Energie wird zum Antreiben des Verdichterrads 2 genutzt.
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Die Strömungsmaschine 1 umfasst zusätzlich zu den beiden Radiallagern 13, 14 eine axiale Lagereinrichtung 20. Die axiale Lagereinrichtung 20 umfasst ein Axiallager 21, das in axialer Richtung zwischen dem Motorgehäuse 10 und dem Turbinenspiralgehäuse 17 angeordnet ist. Das Axiallager 21 ist als Folienluftlager ausgeführt und mit einer Magneteinrichtung 22 kombiniert. Die Magneteinrichtung 22 umfasst mindestens einen schaltbaren Elektromagneten 23.
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Die axiale Lagereinrichtung 20 umfasst des Weiteren eine Axiallagerscheibe 24. Die Axiallagerscheibe 24 erstreckt sich von einem topfartigen Zentralkörper 25 radial nach außen. Über den topfartigen Zentralkörper 25 ist die Axiallagerscheibe 24 fest mit dem Turbinenrad 4 verbunden.
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Die axiale Lagereinrichtung 20 ist so ausgeführt und angeordnet, dass im Betrieb der Strömungsmaschine 1 eine betriebsbedingte Axiallagerkraft 26 auftritt, die von der Drehzahl im Betrieb der Strömungsmaschine 1 abhängt und in 1 durch einen Pfeil parallel zur Drehachse 8 angedeutet ist. Mit der Magneteinrichtung 22 kann, wie in 1 ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet ist, eine zusätzliche Axiallagerkraft 27 erzeugt werden.
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Die betriebsbedingte Axiallagerkraft 26 sinkt im Betrieb der Strömungsmaschine 1 mit fallenden Drehzahlen. Wenn die betriebsbedingte Axiallagerkraft 26 zu gering wird, dann wird der schaltbare Elektromagnet 23 eingeschaltet, um die zusätzliche Axiallagerkraft 27 zu erzeugen.
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Wenn die Strömungsmaschine 1 beispielsweise eine Leerlaufdrehzahl von fünfzehntausend Umdrehungen pro Minute hat, dann kann der schaltbare Elektromagnet 23 ab einer Drehzahl von circa dreißigtausend Umdrehungen pro Minute abgeschaltet werden. Im Drehzahlbereich von dreißigtausend Umdrehungen pro Minute bis zu einer maximalen Drehzahl der Strömungsmaschine 1 wird ein Einschalten des schaltbaren Elektromagneten 23 nicht mehr notwendig, weil bei so hohen Drehzahlen die betriebsbedingte Axiallagerkraft 26 in Richtung Verdichtereinlass 16 ausreichend groß für die in 1 dargestellte einseitige axiale Lagerung ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015016607 A1 [0002, 0004]
